ПОЛУЧЕНИЕ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ОБЛЕГЧЕННОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ГОРНЫХ ПОРОД

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены проблемы получения стабилизированного облегченного тампонажного раствора на основе отходов промышленности и горных пород. Результаты проведенных лабораторных исследований показали, что применение полимерных реагентов, таких как КМЦ-700 и ПАА, способствует получению стабильных тиксотропных тампонажных растворов с минимальными значениями показателя фильтрации. Однако перед приготовлением тампонажных растворов с пониженной плотностью следует приготовить водные растворы вышеуказанных полимерных реагентов на глиномешалке или гидромешалке буровой установки.

ABSTRACT

The article deals with the problems of obtaining a stabilized lightweight grouting slurry based on industrial waste and rocks. The results of laboratory studies have shown that the use of polymeric reagents such as CMC-700 and PAA contribute to the production of stable thixotropic cement slurries with minimal values ​​of the filtration index. However, before preparing cement slurries with a reduced density, aqueous solutions of the above polymeric reagents should be prepared on a clay mixer or hydraulic mixer of a drilling rig.

Ключевые слова: скважина, бурение, вскрытие, давление, раствор, вода, цемент, глина, отложение, цементирование, испытание, вязкость, напряжение.

Keywords: well, drilling, opening, pressure, solution, water, cement, clay, deposits, cementing, testing, viscosity, stress.

Одним из важнейших факторов повышения качества разобщения пластов в различных геолого-технических условиях является обязательное применение стабилизированных седиментационно устойчивых, обладающих пониженной водоотдачей тампонажных растворов.

Обычные необработанные химическими реагентами тампонажные растворы имеют высокий показатель фильтрации, что приводит к потере значительного количества жидкости затворения вследствие отфильтровывания в проницаемые пласты и в результате уменьшения общего объема раствора. По мере потери водной фазы тампонажная смесь становится более вязкой, для перемещения ее в затрубном прокачивание требуется более высокое давление.

Следствием этого могут быть гидроразрывы проницаемых пород и недохождение тампонажного раствора до проектной отметки.

Кроме того, высокая водоотдача тампонажного раствора приводит к нарушению эксплуатационных характеристик пород коллекторов вследствие проникновения фильтрата различной степени минерализации и высокой щелочности (рН=11,0–13,5). Если коллектор содержит глинистый материал, то гидроксильный ион может вызывать расслоение с образованием мелких закупоривающих частиц [3]. Если же глинистый материал отсутствует, то и в этом случае проникшая щелочная водяная фаза вызывает растворение силикатной матрицы песчаника, из которого сложен продуктивный горизонт. В результате этого в продуктивном пласте образуются мелкие подвижные частицы. Смешение в зоне проникновения фильтрата тампонажного раствора с водной фазой бурового раствора и пластовыми флюидами также приводит к осаждению высокодисперсных частиц и снижению проницаемости при скважинной части продуктивного пласта.

Для положительного решения вышеперечисленных проблем, а также сохранения коллекторских свойств пласта от загрязнения фильтратами тампонажного раствора следует уменьшить объем фильтрата, проникающего в породу, а это тоже, в свою очередь, зависит от фильтрационных свойств тампонажного раствора. Снизить фильтрацию тампонажных растворов можно путем добавления в них тонкодисперсных гидрофильных материалов либо путем связывания дисперсной фазы добавками химических реагентов. Второе направление получило развитие в последние годы. Для этих целей было разработано множество полимерных реагентов различного функционального назначения [5].

Использование полимерных реагентов в определенных условиях предпочтительнее, поскольку наряду с повышением стабильности, седиментационной устойчивости, снижением водоотдачи проявляются такие факторы, как лучшее заполнение затрубного пространства за счет возможности осуществления более легкого пробкового режима продавливания и повышения устойчивости цементного камня к ударным нагрузкам, а также значительное снижение газопроницаемости цементного камня.

Проблема выбора и оптимизации составов тампонажных растворов для разобщения продуктивных пластов обусловливается отсутствием достаточно обоснованных рекомендаций относительно допустимых значений показателя фильтрации, позволяющих, с одной стороны, предотвратить глубокое проникновение жидкости затворения в коллекторы, а с другой – формировать камень в заданные сроки с требуемыми прочностными характеристиками. Как известно, тип и количество реагентов выбираются исходя из необходимости получения наименьших значений показателя фильтрации за 30 минут допустимой степени изменения остальных параметров.

Требования к показателю фильтрации определяются в основном при цементировании пластов с проницаемостью К_пр >5мД (не более 150 см³ за 30 минут при ΔР=0,7 МПа), а также в процессе цементирования колонн с расхаживанием, оснащенных скребками, и для производства изоляционных работ под давлением (не более 50 см³ за 30 мин). Другие условия крепления скважин водоотдача тампонажных растворов не регламентируются. Согласно рекомендациям зарубежных исследователей [3], водоотдача тампонажных растворов при моделируемых забойных условиях должна быть не более 100 см³ за 30 мин.

Следует иметь в виду, что при наличии в интервалах песчаников низкопроницаемого гидроизоляционного экрана в виде зоны кольматации и наличии тонкой прочной фильтрационной корки рекомендуется предъявлять менее жесткие требования к показателю фильтрации тампонажного раствора. Специальными исследованиями установлено, что в этом случае ограничение водоотдачи суспензий портландцемента до 120–150 см³ за 30 мин добавками солестойких полимерных реагентов исключает коагуляцию и увеличение проницаемости системы «зона кольматации – корка», а скорость фильтрации сохраняется невысокой [2].

Кроме вышеперечисленного, применение полимерных реагентов для снижения водоотдачи тампонажных растворов способствует получению цементного камня с низкой газопроницаемостью. Добавки с большой удельной поверхностью, которые применяются при приготовлении облегченных тампонажных растворов, обладают способностью обезвоживания во время твердения цементного камня [1].

Учитывая эти обстоятельства, нами при проведении экспериментальных исследований по разработке составов облегченных тампонажных растворов с удельным весом 1400–1600 кг/м³ особое внимание уделялось получению тампонажных растворов с минимальным значением показателя водоотдачи с целью обеспечения низкой газопроницаемости, высокой прочности и расширяющим эффектом образуемого цементного камня. В частности, при проведении лабораторных исследований использовались негидролизованный полиакриламид (ПАА) и КМЦ-700, а также облегчающие добавки – ракушечный известняк, зола уноса ТЭЦ «Нуробод», вспученный вермикулит, дозировки их были подобраны на основании лабораторных работ.

Для исследования влияния КМЦ-700 и ПАА на свойства облегченных тампонажных растворов использовались водные растворы полимерных реагентов в количестве от 0,1 до 2,0% объема сухой смеси. Результаты проведенных лабораторных исследований приводятся в табл. 1–3.

Как видно из данных табл. 1–3, увеличение содержания полимерных реагентов способствует уменьшению показателя фильтрации облегченных тампонажных растворов. Однако вместе с этим для сохранения прокачиваемости тампонажных растворов увеличивалось содержание жидкости затворения, которое в значительной мере снижало величину удельного веса исследуемых растворов.

Таблица 1.

Свойства облегченного тампонажного раствора на основе золы уноса ТЭЦ «Нуробод» с полимерными реагентами

Таблица 2.

Свойства облегченного тампонажного раствора на основе ракушечного известняка с полимерными реагентами

Таблица 3.

Свойства облегченного тампонажного раствора на основе вспученного вермикулита с полимерными реагентами

При повышении содержания полимерных реагентов КМЦ-700 и ПАА прочность цементного камня возрастает, и при концентрации 1,0% от веса смеси наблюдается максимум прочности. Дальнейшее повышение количества полимерных реагентов приводит к уменьшению прочности цементного камня.

Рисунок 1. Влияние полимерного реагента КМЦ-700 на прочность при изгибе цементного камня тампонажных растворов:
1 – тампонажный раствор из чистого портландцемента; 2 – облегченный тампонажный раствор на основе золы уноса ТЭЦ «Нуробод»; 3 – облегченный тампонажный раствор на основе ракушечного известняка; 4 – облегченный тампонажный раствор на основе вспученного вермикулита

Рисунок 2. Влияние полимерного реагента КМЦ-700 на прочность при сжатии цементного камня тампонажных растворов:
1 – тампонажный раствор из чистого портландцемента; 2 – облегченный тампонажный раствор на основе золы уноса ТЭЦ «Нуробод»; 3 – облегченный тампонажный раствор на основе ракушечного известняка; 4 – облегченный тампонажный раствор на основе вспученного вермикулита

Рисунок 3. Влияние полимерного реагента ПАА на прочность при изгибе цементного камня тампонажных растворов:
1 – тампонажный раствор из чистого портландцемента; 2 – облегченный тампонажный раствор на основе золы уноса ТЭЦ «Нуробод»; 3 – облегченный тампонажный раствор на основе ракушечного известняка; 4 – облегченный тампонажный раствор на основе вспученного вермикулита

Рисунок 4. Влияние полимерного реагента ПАА на прочность при сжатии цементного камня тампонажных растворов:
1 – тампонажный раствор из чистого портландцемента; 2 – облегченный тампонажный раствор на основе золы уноса ТЭЦ «Нуробод»; 3 – облегченный тампонажный раствор на основе ракушечного известняка; 4 – облегченный тампонажный раствор на основе вспученного вермикулита

Влияния полимерных реагентов КМЦ-700 и ПАА на прочностные характеристики облегченных тампонажных растворов, а также тампонажного раствора на основе чистого портландцемента представлены на рис. 1–4.

Данные рис. 1–4 свидетельствуют о том, что снижение механической прочности цементного камня характерно для всех исследованных составов тампонажных растворов, включая растворы на основе портландцемента.

Результаты проведенных лабораторных исследований показали, что применение полимерных реагентов, таких как КМЦ-700 и ПАА, способствует получению стабильных тиксотропных тампонажных растворов с минимальными значениями показателя фильтрации. Однако перед приготовлением тампонажных растворов с пониженной плотностью следует приготовить водные растворы вышеуказанных полимерных реагентов на глиномешалке или гидромешалке буровой установки.

Список литературы:

1. Атакузиев Т.А., Таджиев Д.Ф. Новые виды цементов на основе сульфоклинкеров. – Ташкент : Мехнат, 1989. – С. 114.
2. Вяжущие материалы из промышленных отходов / Н.Х. Каримов, Б.Н. Хахаев [и др.] // Обзор информ. Сер. «Бурение». – М. : ВНИИОЭНГ, 1992. – С. 48.
3. Вяхирев В.П. Облегченные и сверхлегкие тампонажные растворы // Бизнес центр. – М. : Недра, 1999. – С. 180.
4. Исследование фиброармирования на свойства тампонажных растворов / Ф.А. Агзамов [и др.] // Нефтегазовое дело (Геология и геофизика, бурение). – М., 2013. – № 2. – С. 30–39.
5. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. – М. : Стройиздат, 1993. – С. 168.
6. Eshpulatov T.P. Creation of a cement stone resistant to aggressive influences of formation fluids // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – 2021. – Vol. 8, Issue 2. – Р. 16593–16599.
7. Hydration characteristics of magnesia assimilated sulfa aluminate – be lite cement / M. Ali [et al] // The some. – 2006. – P. 6.